狭义相对论产生的实验基础和历史条件
狭义相对论（PDF）
经典物理：伽利略时期——19世纪末经过300年发展，达到全盛的“黄金时代”形成了三大理论体系机械运动：以牛顿定律和万有引力定律为基础的经典力学电磁运动:以麦克斯韦方程为基础的电动力学热运动:以热力学三定律为基础的宏观理论，以分子运动、统计物理描述的微观理论物理学家感到自豪而满足，两个事例：在已经基本建成的科学大厦中，后辈物理学家只要做一些零碎的修补工作就行了。
也就是在测量数据的小数点后面添加几位有效数字而已。
—开尔芬(1899年除夕)理论物理实际上已经完成了，所有的微分方程都已经解出，青年人不值得选择一种将来不会有任何发展的事去做。
——约利致普朗克的信两朵乌云：迈克尔孙—莫雷实验的“零结果”黑体辐射的“紫外灾难”三大发现：电子：1894年，英国汤姆逊因气体导电理论获1906年诺贝尔物理学奖X射线：1895年，德国伦琴1901年获第一个诺贝尔物理学奖放射性：1896年，法国贝克勒尔发现铀；居里夫妇发现钋和镭，共同获得1903年诺贝尔物理学奖物理学还存在许多未知领域，有广阔的发展前景。
物理学正在临产中，它孕育着的新理论将要诞生了。
——列宁背景知识：爱因斯坦爱因斯坦,一个惊天的名字；爱因斯坦，一位擎天的巨人！有道是人乃万物之灵，爱因斯坦则是人类之灵！他立足地球，放眼宇宙，在浩瀚的天空架起理论桥梁，他的理论正指引着地球人对神秘的太空进行不懈的探索。
他是当之无愧的地球上“最杰出的人”！1 童年爱因斯坦阿尔伯特．爱因斯坦（Albert．Einstein）1879年3月14日出生在德国西南距离慕尼黑八十五哩的乌耳姆城(Ulm)。
父母都是犹太人。
父亲赫尔曼．爱因斯坦经营着一个制造电器设备的小工厂。
母亲玻琳非常喜欢音乐，在小爱因斯坦六岁时就教他拉小提琴。
小时侯，父亲送给爱因斯坦一个罗盘。
当他发现指南针不断地指着固定的方向时，感到非常惊奇，觉得一定有什么东西深深地隐藏在这现象后面。
他一连几天很高兴的玩这罗盘，还纠缠着父亲和雅各布叔叔问了一连串问题。
第8章 狭义相对论
那么谁说的对呢？爱因斯坦说都对。因为同时 本来就是相对的。
结论 ：沿两个惯性系运动方向，不同地点发生 的两个事件，在其中一个惯性系中是同时的， 在另 一惯性系中观察则不同时，所以同时具有相对意义 ；只有在同一地点， 同一时刻发生的两个事件，在 其他惯性系中观察也是同时的 .
Page 27
二、时间延缓效应
设惯性系 S 以匀速 u 沿 x方向相对惯性系 S 运动，
t t 0 时 O 、 重合，x、x 方向平行。 O
S: r x , y , z , t S: r x, y, z, t r, v, a r , v , a
运 动 的 钟 走 得 慢
Page 28
s
y y 'v s'
d
9 6
12
3
s' 系同一地点 B 发生两事件
发射一光信号 ( x ' , t '1 )
o o'
B
12
x' x 时间间隔 t ' t ' 2 t '1 2 d c
持不变 . 这种不变显示出物理定律对匀速直线运动 的对称性 —— 相对论对称性 .
Page 22
例题 在约定惯性系中 系相对 系的速率 v = 0.6 c , 在 系中观察一事件发生的时 空坐标为 t = 2×10 - 4 s, x = 5×10 3 m , 则 该事件发生在 系中的时空坐标为
s， m。
Page 25
爱因斯坦火车 B’
中点
同时到达A’、B’ A’
K’系 地面的观测者说：光源在地面AB的中点，应同时 先到B’点 到达AB两点，在火车上先到达B’点，后到A’点。 A B 再到A’点 K系 中点 A’ B’ K’系 B A K系 火车上的观察者说：光源在火车中点，光速为C ，故必同时到达A’、B’点。
狭义相对论产生的实验基础和历史条件
若取 l1 l2 l，则
第4章 相对论
2l u 2 N ( ) c
4–2 狭义相对论产生的实验基础和历史条件
7
有一部分人不相信实验的真实性，继续改进实验 设备做实验。而且春天做了夏天做，秋天做了冬天 做；平地做了高山做„实验精度越来越高，能做实 验的人越来越多，乃至几乎每个大学都能做，但结 果仍然一样，地球上的光速与地球速度无关。 洛仑兹等人提出，可能是地球拖着“以太”一道 运动，地球与以太之间没有相对运动了，当然测不出 速度的差别，但是这一想法又被天文上的“光行差实 验”所否定。“光行差实验”否定地球拖着“以太” 运动。
并且进一步认为以太就是人们一直在寻找的绝对 静止参考系，只有在这个参考系中光速才是与方向 无关的恒量。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ第4章 相对论
4–2 狭义相对论产生的实验基础和历史条件
2
2、光速的困惑
狭义相对论建立以前，人们认为任何速度的叠加都满足 伽里略变换。但在光速领域里却碰到了困难。 如前所说，以太就是绝对空间。以太中电磁波沿各方向传 播的速度都等于恒量 c 。但在相对以太运动的惯性系中，按 伽利略变换，电磁波沿各方向传播的速度并不等于恒量 c ， 如下图中相对于光源运动的小车上所测得的光速。
2 t t t [ c
' ' 1 ' 2
l2 ] u 2 1 ( u )2 1 ( ) c c
l1
干涉仪转动前后，光通过两臂时间差的改变量为：
2(l1 l2 ) 1 1 t t t [ ] u c u 2 1 ( )2 1 ( ) c c
'
第4章
相对论
4–2 狭义相对论产生的实验基础和历史条件
狭义相对论产生实验基础和历史条件
s
G T
M2 （从 s'系看）G M2
M1
v
c c2 v2
- v
M2
-
v
G
c c2 v2
4.2 狭义相对论产生的实验基础和历史条件 第四章 狭义相对论
GM2 GM1 l
s
T
M2 G
v
M1
G M1 Gቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
G M2 G
t1
c
l
v
c
l
v
t2 c
2l 1 v2
c2
Δ
ct
l
v2 c2
若将仪器旋转90°，则光程差由正转负：
2、电磁现象服从相对性原理。
4.2 狭义相对论产生的实验基础和历史条件 第四章 狭义相对论
三、爱因斯坦的狭义相对论基本原理
1.相对性原理 一切物理规律在任何惯性系中形式相同
2.光速不变原理 在一切惯性系中，光在真空中的速率恒为c
讨论 1 Einstein 的相对性理论 是 Newton理论的发展
一切物 理规律
解释天文现象的困难 夜空的金牛座上的“蟹状星云”，是900多年
前一次超新星爆发中抛出来的气体壳层。
A c V
Bc
l
tA
c
l V
tB
l c
l 5千光年 抛射速度V 1500 km/s
结论：在25年持续看到超新星爆发时发出的强光。
史书记载：强光从出现到隐没还不到两年。 矛盾
4.2 狭义相对论产生的实验基础和历史条件 第四章 狭义相对论 从麦克斯韦方程组可得两条结论： 1、光在真空中的速度是一个恒量，与参考系 的选择无关。
(相对性)
4.2 洛仑兹变换式
大学物理相对论总结
基本内容
1、力学相对性原理、伽利略变换；狭义相对论产生 根源、实验基础和历史条件；狭义相对论的基本原理、 洛仑兹变换。 2、狭义相对论时空观：同时的相对性、长度收缩、 时间延缓、因果律。 3、狭义相对论质速关系、相对论动力学基本方程、 相对论动能、静能总能和质能关系、能量和动量的关 系。
1
内容提要
2、长度的收缩（运动物体在运动方向上长度收缩）
在s' 系中测量
l0 x'2 x'1 l'
l l' 1 2 l0
固有长度
y y'
s
s' u
x'1
l0
x'2 x'
o
z
o'
z'
x1
x2
x 5
3、时间的延缓
t t'
1 2
固有时间 ：同一地点发生的两事件的时间间隔 .
t t' t0 固有时间
解：
S ( x1, t1) (x2,t2 ) S′ ( x1, t1) ( x2 , t2 )
x2 x1 1m t1 t2
x2 x1 ?
x2
x1
x2
ut2 (x1 ut1) 1 u2 c2
1 1u2 c2
9
六、相对论质量和相对论动量
1、动1量）与相速对度论的动关量系p
m0 v
1 2
Ei mic2 (m0ic2 Eki ) 恒量
i
i
i
相对论质量守恒定律 在一个孤立系统内，所有粒子的 相对论总质量
mi 恒量
i
八、动量与能量的关系
E pc
E 2 E02 p2c2
狭义相对论历史背景与实验基础
计算
观测（上限）
比值
麦克尔逊 麦克尔逊 —莫雷 莫雷—米 勒 米勒 米勒 米勒 （太阳 光）
1881 1887
1.2 11.0
0.04 0.4
0.02 0.01
2 40
1902— 1904 1921 1924 1924
32.2
1.13
0.015
80
32.2 32.2 32.2
1.12 1.12 1.12
狭义相对论 历史背景与实验基础 相 对 性 原 理 “地有四游，冬至地上行北而西三万里，夏至地下行南而东三万里，春秋两分是其中矣。地恒动 而人不知，譬如闭舟而行不觉舟之运也。” 《尚书纬．考灵曜》（约东汉时代） “把你和朋友关在一条大船下的主舱里，让你们带着几只苍蝇、蝴蝶和其他小飞虫，舱内放一只大 水碗，其中有几条鱼，然后挂上一个水瓶，让水一滴一滴地滴到下面的一个宽口罐里，船停着不动 时， 你留神观察， 小虫都以等速向舱内各方向飞行； 鱼向各个方向随便游动； 水滴滴进下面的罐中， 你把任何东西扔给你的朋友时，只要距离相等，向这一方向不必比另一方向施更多的力。当船以任 何速度前进，只要是匀速的，你将发现，上述观察的现象依旧，你无法用任何现象判定船是运动还 是不动„„” <<关于两种世界体系的对话>>1632 年,Galileo. 1. 伽里略变换及力学的相对性原理 牛顿力学是物理学中最先系统地作为一门实验科学而发展起来的分支学科,主要内容归结为牛顿三 大定律，并称牛顿惯性定律成立的参照系为惯性系，不同惯性系之间的坐标变换，通过伽里略变换 来实现。 如图 1，k、kˊ为两惯性系，kˊ相对 k 以速度 v 沿 x 轴作匀速直线运动，设某一事件（x、y、z、 t）
35 175 20
狭义相对论的基本原理和推论
狭义相对论的基本原理和推论狭义相对论，作为现代物理学中的重要理论之一，对于我们理解宇宙的运行规律和空间时间的统一起到了至关重要的作用。
在科学研究中具有重要的意义，本文将对狭义相对论的基本原理和推论进行深入研究，探讨其在物理学中的应用和影响。
第一章狭义相对论的历史背景# 1.1 牛顿力学的局限性牛顿力学是在17世纪由牛顿创立的经典物理学理论，是描述宇宙运动规律的重要工具。
然而，随着科学技术的不断发展和实验数据的不断丰富，人们逐渐意识到牛顿力学在描述高速运动和微观粒子运动时存在一定的局限性。
# 1.2 麦克斯韦电磁理论的挑战19世纪中期，麦克斯韦提出了电磁场理论，将电磁场统一到了一种方程中。
这一理论对于当时的物理学家来说是一个巨大的挑战，因为麦克斯韦的理论预言了电磁波的存在，这种波动介质必然是以光速传播的。
# 1.3 惯性系和相对论原理爱因斯坦在研究运动物体的时候发现，他们的运动与观察者的运动状态息息相关。
这就引出了狭义相对论的概念，即不同惯性系之间的相对运动是没有绝对的意义的。
第二章狭义相对论的基本原理# 2.1 相对性原理狭义相对论的基本原理就是相对性原理，它包含了以下两点内容：一是物理规律在所有惯性系中都是相同的；二是光在真空中的速度在所有惯性系中都是恒定的，即光速不变原理。
# 2.2 同步坐标系和尺缩效应根据狭义相对性理论，两个相对运动的参考系之间的时间和空间的测量是不同的。
当两个时钟相对静止时，它们显示的时间相同，但是当它们相对运动时，它们的时间会出现错位。
此外，根据洛伦兹收缩公式，当一个物体以接近光速的速度运动时，其长度在运动方向上会发生压缩。
# 2.3 双缝实验和时钟测量双缝实验是验证量子力学的重要实验之一，而在狭义相对论中也有类似的实验来验证其基本原理。
在双缝实验中，光同时通过两个狭缝，根据光的波动性质，会出现干涉条纹。
而在时钟测量中，当两个钟相对运动时，它们的时间会有微小的差异，这也是狭义相对论所描述的现象。
6-2狭义相对论产生的实验基础和历史条件
6.2 狭义相对论产生的实验基础和历史条件
第6章 相对论
按照伽利略变换，光速在不同惯性系下的速度不同。 S 系中： 麦克斯韦方程组成立，光速为 c S' 系中：当S' 沿 x 轴正方向运动时，c' = c - v
S'' 系中：当S'' 沿 x 轴负方向运动时，c''= c + v
在不同的惯性系中，宏观电磁现象所遵从的规 律是不同的。 电磁场方程组不服从伽利略变换。
6.2 狭义相对论产生的实验基础和历史条件
第6章 相对论
人们始终没有测出地球相对以太的运动， 这说明电磁学理论与伽利略变换有矛盾。从而 动摇了整个经典力学的基础。
人们为维护“以太”观念作了种种努力， 提出了各种理论 ，但这些理论或与天文观察， 或与其它的实验相矛盾，最后均以失败告终 。
电磁理论与经典时空观之间的矛盾该如何解决？
第6章 相对论
对于不同的惯性系，电磁现象基本规律 的形式是一样的吗 ？ 1、光速问题 ——电磁学规律与伽利略变换之间的矛盾
根据麦克斯韦方程组，光（即电磁波）在 真空中的传播速度为：
1 8 c 3 10 m / s 是一个恒量，与参照系无关。 0 0
以上结论都得到实验的证明，说明 电磁场理论是正确的。 疑问： 光速 c 是相对那个参照系的速度？
6.2 狭义相对论产生的实验基础和历史条件
第6章 相对论
6.2 狭义相对论产生的 实验基础和历史条件
1
6.2 狭义相对论产究之后，人们对其 它物理现象，如光和电磁现象的研究也逐步深入。
十九世纪中叶，已经形成了比较完整的电磁理 论——麦克斯韦理论。它预言电磁波的存在，而且也 为实验所证实。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
u
v c u
u
v c u
第4章
相对论
4–2 狭义相对论产生的实验基础和历史条件
3
3、迈克耳孙—莫雷的实验分析
（1）使干涉仪的ＰＭ１ 臂沿着地球轨道运动速 度u方向。地球相对以太 速度为u，从G1到 M1光 束的速度为v=c-u；从M1 到G1光束的速度为v=c+u。 故光从G1点经M1返回的 时间为t1
2 t t t [ c
' ' 1 ' 2
l2 ] u 2 1 ( u )2 1 ( ) c c
l1
干涉仪转动前后，光通过两臂时间差的改变量为：
2(l1 l2 ) 1 1 t t t [ ] u c u 2 1 ( )2 1 ( ) c c
'
第4章
4–2 狭义相对论产生的实验基础和历史条件
1
1、以太理论的提出 19世纪中期麦克斯韦建立的电磁场理论指出光 是电磁波，并提出光是在以太中传播的假说。 以太假说的主要内容是：以太是传播包括光波 在内的电磁波的弹性媒质，它充満整个宇宙空间。 以太中带电粒子振动会引起以太变形，这种变形以 弹性波的形式传播，这就是电磁波。
并且进一步认为以太就是人们一直在寻找的绝对 静止参考系，只有在这个参考系中光速才是与方向 无关的恒量。
第4章 相对论
4–2 狭义相对论产生的实验基础和历史条件
2
2、光速的困惑
狭义相对论建立以前，人们认为任何速度的叠加都满足 伽里略变换。但在光速领域里却碰到了困难。 如前所说，以太就是绝对空间。以太中电磁波沿各方向传 播的速度都等于恒量 c 。但在相对以太运动的惯性系中，按 伽利略变换，电磁波沿各方向传播的速度并不等于恒量 c ， 如下图中相对于光源运动的小车上所测得的光速。
2
M2
V
c u
2
l2
G1 G2 Ｐ v=c+u
u
v=c-u
V c u
l1
t2
第4章
2l2 c2 u 2
相对论
4–2 狭义相对论产生的实验基础和历史条件
5
l1 l2 2 t t1 t2 [ ] c 1 ( u )2 u 2 1 ( ) c c 转动90，时间差为
爱因斯坦则抛弃以太（即否定绝对静止参考系 的存在），建立相对论，并提出了全新的时、空观。
第4章 相对论
若取 l1 l2 l，则
第4章 相对论
2l u 2 N ( ) c
4–2 狭义相对论产生的实验基础和历史条件
7
有一部分人不相信实验的真实性，继续改进实验 设备做实验。而且春天做了夏天做，秋天做了冬天 做；平地做了高山做„实验精度越来越高，能做实 验的人越来越多，乃至几乎每个大学都能做，但结 果仍然一样，地球上的光速与地球速度无关。 洛仑兹等人提出，可能是地球拖着“以太”一道 运动，地球与以太之间没有相对运动了，当然测不出 速度的差别，但是这一想法又被天文上的“光行差实 验”所否定。“光行差实验”否定地球拖着“以太” 运动。
M2
M1/
2
面 光 源
G1 Ｐ
G2
1
M1
v=c+u v=c-u
u
l1 l1 2l1c t1 2 c u c u c u2
第4章 相对论
2/
1/
4–2 狭义相对论产生的实验基础和历史条件
4
(2) 设光束从G1经M2反射 回G1共需时间为t2 光相对地面 的速度为V, 根据经典相 对速度公式
பைடு நூலகம்
相对论
4–2 狭义相对论产生的实验基础和历史条件
6
考虑 u/c 是小量，利用近似公式
1 u 2 1 , ( ) 1 c
1 1 1 2 1
(l1 l2 ) u 2 t ( ) c c
(l1 l2 ) u 2 ( ) 应有干涉条纹移动的数目 N c c t
第4章 相对论
4–2 狭义相对论产生的实验基础和历史条件
8
还有不少解释„..但总有矛盾的地方。这样一来 物理学面临着一场危机，对于经典物理的大厦，人们 想扶起东墙却倒了西墙，想扶起西墙却倒了东墙。 为什么会产生这样的现象呢？因为人们受着传统 思想的束缚，仍抱着牛顿的时空观不放。抱着伽利略 坐标变换不放。在这种情况下就看谁能冲破传统思想 的束缚，就能在大量的实验事实面前创建新的理论。